Технология получения неметаллических конструкционных материалов

 

Композиционные  материалы со слоистыми наполнителями

 

Слоистые композиционные материалы имеют листовые наполнители (ткани, бумагу, шпон и т.д.), пропитанные и скрепленные между собой полимерным связующим. Эти материалы обладают анизотропией свойств – имеют высокую прочность при растяжении вдоль слоев армирующего наполнителя и низкую в перпендикулярном направлении. Этот недостаток отсутствует у объемно-тканых или трехмерно-армированных материалов. В качестве волокнистых армирующих элементов используют ткани на основе высокопрочных волокон различной природы: хлопчатобумажные, стеклоасботкани, органоткани, углеткани, органостеклоткани, бороорганостеклоткани. Ткани различаются между собой по соотношению волокон в основе и утке, по типу переплетения, что сказывается на их механических свойствах. Выпускаются слоистые композиты в виде листов, труб, заготовок. Гетинакс – пластик на основе модифицированных фенольных, аминоформальдегидных и карбамидных смол и различных сортов бумаги. По назначению гетинакс подразделяется на декоративный и электротехнический. Декоративный гетинакс стоек к воздействию химикатов, пищевых продуктов, растворителей, может иметь любой цвет и рисунок. Применяется он для облицовки технической и бытовой мебели, внутренней облицовки салонов самолетов, кают судов, железнодорожных вагонов и т.д. Электротехнический гетинакс используется для изготовления панелей, приборных щитков и других целей. Для печатных радиотехнических изделий применяют гетинакс фольгированный (ГФ). В качестве фольги используется тонкий слой меди. Выпускается гетинакс, фольгированный с одной (ГФ-1) и с двух сторон (ГФ-2), нормальной и повышенной прочности и нагревостойкости, на что в марке указывает буква Н или П, стоящая после цифры, например ГФ-1П.Основные свойства гетинаксов приведены в таблице 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4

Органогетинакс изготавливают на основе бумаги из синтетических волокон, чаще всего из ароматических полиамидов и поливинилового спирта. В качестве связующих применяют полиимиды, фенолоформальдегидные, эпоксидные и другие смолы. По сравнению с гетинаксами они имеют более высокую стойкость в агрессивных средах и стабильность механических и диэлектрических свойств при повышенных температурах. Текстолит – слоистый пластик на основе полимерных связующих и хлопчатобумажных тканей. Материал обладает высокими механическими свойствами, стойкостью к вибрациям. В зависимости от основного назначения текстолиты подразделяются на конструкционные, электротехнические, графитированные, гибкие прокладочные. Конструкционный текстолит марок ПТК, ПТ, ПТМ используется для изготовления зубчатых колес, подшипников скольжения, работающих при температурах в зоне трения не выше 90°С, в прокатных станах, турбинах, насосах и др. Выпускается в виде листов толщиной от 0,5 до 8 мм и плит толщиной от 8 до 13 мм. Диэлектическая прочность в трансформаторном масле до 8 кВ/мм. Электротехнический текстолит используется в качестве электроизоляционного материала в средах с рабочей температурой от -65 до +165°С и влажностью до 65%. Выпускается он в виде листов толщиной от 0,5 до 50 мм марок А, Б, Г, ВЧ. Марка А – с повышенными электротехническими свойствами для работы в трансформаторном масле и на воздухе при промышленной частоте 50 Гц. Марка Б – с повышенными электротехническими свойствами для работы на воздухе при частоте 50 Гц. Марка Г – по свойствам и области использования аналогична марке А, но с расширенными допусками по короблению и толщине. Марка ВЧ – для работы на воздухе при высоких частотах (до 106 Гц). Графитированный текстолит применяется для изготовления подшипников прокатного оборудования и выпускается в виде листов толщиной 1...50 мм, длиной до 1400 мм и шириной до 100 мм. Гибкий прокладочный текстолит используют для производства уплотняющих и изолирующих прокладок в узлах машин, подвергаемых воздействию масел, керосина, бензина. Выпускают в виде листов толщиной 0,2...3,0 мм. В асботекстолитах (табл. 5) и асбогетинаксах в качестве наполнителей содержится соответственно асботкань или асбобумага (до 60%), а в качестве связующего – фенолоформальдегидные и меламиноформальдегидные смолы, кремнийорганические полимеры, которые определяют допускаемую температуру эксплуатации. Материалы на меламиноформальдегидной основе допускают работу изделий при температурах до 200°С, на фенолоформальдегидной до 250°С и на кремнийорганической до 300°С при длительной эксплуатации. Кратковременно температура может достигать 3000°С. Применяют асботекстолиты в основном для изготовления тормозных колодок, тормозных накладок, в качестве теплоизоляционного и теплозащитного материалов.

 

Таблица 5

 

           

. Стеклотекстолиты изготавливают на основе стеклотканей и различных полимерных связующих (табл. 6). На фенолоформальдегидных смолах (КАСТ, КАСТ-В, КАСТ-Р) они более теплостойки, чем текстолит ПТК, но хуже по вибростойкости. На кремнийорганических смолах (СТК, СК-9Ф, СК-9А) имеют высокую тепло- и морозостойкость, обладают высокой химической стойкостью, не вызывают коррозии контактирующего с ним металла. Применяют стеклотекстолиты в основном для крупногабаритных изделий радиотехнического назначения, а также изготовления стеклотекстолита фольгированного марок СФ-1, СФ-2 при производстве печатных плат.

 

Таблица 6

Высокой ударной вязкостью  КСU до 600 кДж/м2, временным сопротивлением до 1000 МПа обладают стекловолокни  стые анизотропные материалы, армированные стеклошпоном (СВАМ). По удельной жесткости эти материалы не уступают металлам, а по удельной прочности в 2-3 раза превосходят их.

 

Композиционные  материалы с газообразными наполнителями

 

Газонаполненные материалы  представляют собой структуру, состоящую из твердой и газообразной фаз. Их подразделяют на две группы: пенопласты и поропласты. Пенопласты имеют ячеистую структуру, поры которой изолированы друг от друга полимерной прослойкой. Поропласты имеют открытопористую систему и присутствующие в них газообразные или жидкие продукты сообщаются друг с другом и окружающей средой. Пенопласты получают на основе термопластичных полимеров (полистирола, поливинилхлорида, полиуретана) и термореактивных смол (фенолоформальдегидных, фенилокаучуковых, кремнийорганических, эпоксидных, карбамидных). Для получения пористой структуры в большинстве случаев в полимерное связующее вводят газообразующие компоненты, называемые порофорами (углекислый газ, азот, воздух и инертные газы). Однако имеются и самовспенивающиеся материалы, например пенополиэфироуретановые, пенополиэпоксидные. Пенопласты на основе термопластичных смол более технологичны и эластичны, однако температурный диапазон их эксплуатации от -60 до +60°С. Пенопласты на основе полистирола изготавливаются в виде гладких или профилированных пластин, полуоболочек или профильных изделий. Широкое применение они получили в качестве диэлектриков и упаковочных материалов при транспортировке различных стеклянных и других хрупких изделий. Такой пенопласт получают путем введения в полистирол порообразователя и нагревом массы до температуры 90...105°С. При этом объем первоначальных гранул увеличивается в 20-80 раз. После выдержки, необходимой для выравнивания давления, полученный полуфабрикат загружают в пресс-форму и нагревают до температуры 100...110°С, пока не заполнится вся форма. Плотность полученного материала 10...30 кг/м3, поры закрытые, 98% объема составляет воздух. Пенополистирол радиопрозрачен. По такой технологии могут заполняться различные полости между металлическими, угле- или стеклопластиковыми оболочками с целью звуко- и теплоизоляции, увеличения плавучести и т.д. Недостатками материала являются растворимость в бензине, бензоле и горючесть. Пенополивинилхлорид не поддерживает горения, но обладает более низкими диэлектрическими свойствами по сравнению с пенополистиролом. Применяется он в основном в качестве легкого заполнителя для тепло- и звукоизоляции. Пенополиуретановые материалы получают из жидких компонентов – смеси полиспиртов и диизоцианатов. В зависимости от технологии можно получить мягкие, полужесткие и жесткие материалы с более высокой, чем у полистирольных пенопластов, термостойкостью. Пенопласты на основе термореактивных смол допускают более высокие температуры эксплуатации, но они более хрупки. Поэтому в термореактивные смолы необходимо вводить пластификаторы или совмещать их с каучуками либо термопластичными смолами. Пенопласты на основе фенолоформальдегидных и фенолокаучуковых смол допускают работу при температурах до 120...150°С, а на основе полисилоксановых смол – до 300°С. Самовспенивающиеся пенопласты применяются для заполнения труднодоступных мест и полостей сложной конфигурации. Пенопласты используют для тепло- и звукоизоляции кабин, теплоизоляции рефрижераторов, труб, приборов и так далее, для повышения плавучести, удельной прочности, жесткости и вибростойкости силовых элементов конструкций. Объемная плотность пенопластов находится в пределах от 10 до 300 кг/м3, теплопроводность – от 0,002 до 0,06 Вт/(м⋅К). Свойства некоторых газонаполненных материалов на основе пластмасс приведены в табл. 7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 7

 

Поропласты получают в основном путем механического  вспенивания композиций, например сжатым воздухом или с использованием специальных  пенообразователей. При затвердевании вспененной массы растворитель, удаляясь в процессе сушки и отверждения из стенок ячеек, разрушает их. Сквозные поры можно получить, наполнив композиции водорастворимыми веществами. После прессования и отверждения изделия его погружают в нагретую воду, в которой вымываются растворимые вещества. Поропласты применяют для изготовления амортизаторов, мягких сидений, губок, фильтров, в качестве вибродемпфирующих и звукоизоляционных прокладок в вентиляционных установках, глушителях, прокладок в касках и шлемах и т.д. Плотность их составляет 25...500 кг/м3. Пластмассы, наполненные полыми частицами сферической формы, отличаются от пенопластов, описанных выше, тем, что вместо газовых включений они содержат микросферы диаметром 20...70 мкм, имеющие толщину стенок 1,5...3,0% от диаметра. Полые сферические наполнители могут быть полимерными, стеклянными, керамическими и металлическими. Чаще применяются сферы из фенолоформальдегидной смолы и стекла. В качестве связующих для получения пластмасс такого типа могут использоваться любые полимеры, но в большинстве случаев применяют эпоксидные и полиэфирные смолы. Изделия из литьевых композиций изготавливают путем заливки их в формы или нанесения на поверхность оснастки с последующим отверждением. Из прессовочных паст можно получать изделия в пресс-формах под давлением 0,5...1,5 МПа или без давления, уплотняя шпателем. Пластмассы с полыми наполнителями используются при изготовлении различных плавучих средств, сэндвич-конструкций, теплозвукоизоляции.

 

Металлополимерные каркасные материалы

 

Металлополимерные каркасные  материалы (МПК) представляют собой  композиционные материалы, в которых  несущей основой является трехмерная металлическая сетка или один лист (или несколько) конструкционной  стали, а межкаркасные полости заполнены полимерной композицией, содержащей различные функциональные компоненты. Так, в судостроении и судоремонте широко используются трехслойные каркасные материалы (рис. 3), содержащие два металлических листа, между которыми размещается один или несколько слоев стеклоткани, пропитанных термореактивным полимером. Наилучшими адгезионными свойствами обладают клеи на основе многокомпонентных полимеров типа «Спрут», «ВАК», «Адгезив» и др.

В машиностроении нашли  применение металлополимерные самосмазывающиеся материалы на основе металлокерамического каркаса и полимерных связующих, содержащих сухие смазки (графит, дисульфид молибдена, йодистый кадмий и др.) (рис. 4), несущей основой является трехмерная металлическая сетка.

Для получения металлокерамического каркаса используют порошки оловянистой бронзы, нержавеющей стали, стеклокерамику. Межкаркасные полости заполняют фторопластом-4 в смеси со свинцом. Материал МПК используется для изготовления подшипников скольжения, сепараторов подшипников качения, поршневых колец и др. Самосмазывающиеся материалы МПК работают до температуры 250°С и имеют коэффициент трения 0,05...0,12. Для изготовления подшипников большого диаметра и вкладышей самосмазывающиеся материалы МПК припекают к металлической основе (ленте). Такие подшипники работают без смазки при температурах до 280°С, давлении до 300 МПа и имеют высокую износостойкость пар трения при низком коэффициенте трения, что позволяет иметь скорости скольжения до 5...10 м/с. Зачастую в материалы МПК вводят углеграфитовые и металлизированные углеграфитовые ткани, пропитанные полимерными связующими с твердыми смазками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Производство  композиционных материалов

 

Основные методы получения  композиционных материалов:

• открытые методы
• закрытые методы

К открытым относятся  методы:

• контактное формирование
• напыление
• намотка
• ряд других способов представляющих различные разновидности вышеперечисленных способов.

К закрытым относят методы:

• прессование
• протяжка

Метод контактного  формирования заключается в послойной укладке в открытой форме листов наполнителя с его предварительной или одновременной пропиткой с помощью кисти или пульверизатора и уплотнением прокаточного валика или методом прессования.

Метод напыления заключается в напылении наполнителя и связующего в открытой форме с последующим уплотнением.

Метод намотки используют для получения изделия имеющего форму тел вращения. Суть процесса заключается в намотке армирующего материала на вращающуюся оправку

Пултрузия представляет собой процесс получения изделий путем вытягивания через нагретую до 130 - 150 градусов формообразующую фильеру армирующих материалов, пропитанных термореактивной смолой.

RTM – метод характеризуется тем, что прижим матрицы и пуансона осуществляется с помощью вакуума. Разрежение создается также и в рабочей полости формы, что позволяет добиться оптимальных характеристик пропитки армирующего материала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Керамика

 

Под керамикой понимаются поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. Керамические материалы выгодно отличаются от металлических и полимерных высокой коррозионной стойкостью и возможностью регулирования свойств материала в широких пределах за счет изменения структуры, низкой плотностью. По составу керамику можно подразделить на кислородную, состоящую из оксидов металлов и неметаллических элементов (бериллия, магния, алюминия, кремния, титана, циркония), и бескислородную – нитридную, карбидную, боридную и др. Основные характеристики конструкционных керамических материалов представлены в табл. 2.

 

Таблица 2

   

Эти материалы  представляют собой многофазные  системы, в которых присутствуют кристаллическая, аморфная и газовая фазы. Кристаллическая фаза, составляющая основу конструкционной керамики, представляет собой твердые растворы или определенные химические соединения. Аморфная фаза находится по границам кристаллической и может составлять до 40%. Газовая фаза образуется при обжиге керамики и для конструкционной керамики в основном нежелательна. В зависимости от формы пор и количества газовой фазы керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие пор обусловливает снижение прочности керамики, однако она представляет собой особый класс химически стойких материалов и используется для фильтрации агрессивных химических жидкостей и суспензий.Существенное влияние на механическую прочность керамики оказывает температура. Например, для оксидной керамики характерна незначительная потеря прочности (до 15%) при температурах до 800°С, а затем более резкое ее падение, при температурах выше 1200°С потеря прочности составляет более 50%.Из чистых окислов производятся термоизоляционные керамические изделия, которые могут служить при температурах в 1600…1800°С, применяющиеся для нанесения антикоррозионных и теплозащитных покрытий в реактивных двигателях. Одним из основных недостатков керамики является еехрупкость, так как для распространения трещины в керамическом материале расходуется энергии в тысячу раз меньше, чем в металлах. Снижения хрупкости добиваются путем армирования керамики волокнами из хрома, никеля, ниобия, вольфрама, введением в состав диоксида циркония. Применяются также методы поверхностного упрочнения керамических материалов путем лазерной аморфизации поверхности. Керамические изде лия в большинстве случаев являются хорошими диэлектриками и используются в качестве высоковольтных изоляторов (главным образом фарфор и стеатит). Большое распространение в технике получила пьезокерамика, способная поляризоваться при упругой деформации или деформироваться под действием внешнего электрического поля. В основном используется титанат бария ВаТiO3 и керамика на основе системы PbZr O3 - PbTi O3. Пьезокерамические материалы нашли применение в качестве электромеханических и электроакустических преобразователей. Керамические материалы используются также в качестве терморезисторов и варисторов, изменяющих электросопротивление под действием соответственно температуры и приложенного напряжения. Алюмооксидная керамика широко используется в электронике для изготовления подложек интегральных схем, а также для подложек корпусов больших интегральных схем (чипов). Ферромагнитная керамика, представляющая собой соединения типа Ме2О-Fe2O3 или МеО-Fe2O3 (Me обозначает металл), характеризуется высокой магнитной проницаемостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Наибольшее распространение получили ферриты, содержащие оксиды магния, никеля, цинка, кальция, марганца. В промышленности используется керамика со специфическими оптическими свойствами: оптически прозрачная, с люминисцетными свойствами, светочувствительная. Такая керамика изготавливается на основе оксида алюминия, оксида иттрия, легированного редкоземельными элементами, оксида бериллия, цирконата или титаната свинца, теллурида кадмия. Процесс изготовления керамических изделий состоит из подготовки формовочной массы (смешивание компонентов в виде порошков в сухом виде или в жидкой среде), формирования изделия (прессование в формах под давлением 100…600 МПа), сушки и обжига (температура спекания определяется составом исходных компонентов зачастую в контролируемой газовой среде). Механическая обработка изделий из керамики заключается в их шлифовке алмазными кругами. Керамические материалы наряду с высокой твердостью, как правило, имеют повышенную хрупкость, низкое сопротивление изгибу и ударным нагрузкам. Ликвидировать многие из этих недостатков позволяет сочетание керамических материалов с металлической связкой. Материалы, получаемые путем спекания металлических и керамических порошков, называются керметами. Керметы обладают высокими прочностными свойствами, химической стойкостью, высокой тепло- и электропроводимостью. Они нашли применение в машиностроении для изготовления режущего инструмента, электрических скользящих контактов, подшипников скольжения, в авиационной и космической технике для изготовления камер сгорания ракет и авиационных двигателей и т.д. Металлокерамические композиционные материалы изготавливают методами порошковой металлургии из железа, ванадия, молибдена, вольфрама, кобальта, меди и других металлов, тугоплавких оксидов, а также карбидов, боридов, нитридов и силицидов металлов.Для режущего инструмента применяются твердые сплавы на основе высокотвердых тугоплавких карбидов ванадия, титана, тантала на кобальтовой связке. Формовочную смесь спекают при температуре 1400...1550°С в среде водорода или в вакууме. Вольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбидов вольфрама и кобальтовой связки. Теплостойкость этих сплавов – до 800°С. Обозначаются они буквами ВК, за которыми следует цифра, указывающая количество кобальта в массовых процентах, например ВКЗ, ВК8, ВК10. Титановольфрамовые сплавы состоят из карбидов титана и вольфрама с кобальтовой связкой. Теплостойкость сплавов этой группы составляет 900...1000°С. Обозначаются сплавы буквами ТК. Например, сплав Т15К6 содержит 15% TiC, 6% кобальта и 79% WC. Титано-кобальтовые сплавы применяют для обработки резанием сталей. Титано-тантало-вольфрамо-кобальтовые сплавы применяют для обработки труднообрабатываемых сплавов. Обозначаются эти сплавы буквами ТТК, например ТТ10К8 (10% карбидов титана и тантала, 8% - кобальта). Теплостойкость этих сплавов составляет 1000°С. Для изготовления режущего инструмента применяется также безвольфрамовая минералокерамика на основе глинозема Аl2O3 (оксидная), например ЦМ-332 (микролит), ВО-13; смеси Аl2O3 с карбидами (ВЗ, ВОК-60, СС620, СМ2), нитридами (кортинит, СС680, СС650) и другими соединениями (керметы), а также безвольфрамовые твердые сплавы на основе карбида титана (ТН20), карбонитрида титана (КНТ16, СД-3), нитрида титано-тантала (Т12А, Т23А). Оксидную керамику применяют для чистовой и получистовой обработки незакаленных сталей и серых чугунов со скоростями резания до 15 м/с. Резцы из пластинок микролита применяют при обработке конструкционных и легированных сталей, различных чугунов особенно цветных металлов, а также графита, твердых пород дерева, пластмасс и др. Из микролита, кроме режущего инструмента, изготавливают детали к машинам и аппаратам, подвергающимся интенсивному износу, различные фильеры, втулки, мундштуки и др. Кроме компактной (беспористой), применяется и пористая металлокерамика, получаемая путем введения в исходную композицию дисперсных или волокнистых компонентов, которые из готовых изделий выплавляются или вымываются, образуя открытые поры. Таким образом, получаются материалы с открытыми порами. Их применяют для изготовления фильтров очистки жидкостей и газов, подшипников скольжения, подшипников на воздушной подушке. В подшипниках скольжения поры заполняются смазочными веществами и выполняют функции емкостей для удержания смазки и подачи ее в нужный момент в зону трения. Материалы с закрытыми порами получают путем введения в исходную композицию газообразующих веществ – порофоров. В ряде областей машиностроения находят применение теплоизоляционные керамические материалы (пористые окисные огнеупоры, изготовленные по разной технологии из чистых окислов или карбидов). Пористость такой керамики достигает 85…90%, а предельная рабочая температура – 2200°С. Химически стойкая керамика отличается незначительной прочностью, удовлетворительной термостойкостью и незначительной проницаемостью для жидкостей и газов. В зависимости от назначения она подразделяется на футеровочную (для защиты различных аппаратов и строительных конструкций), насадочную и изделия для химической аппаратуры. Футеровочные и насадочные изделия изготавливаются из шамотированных масс и обладают грубозернистым строением (кислотоупорные кирпичи и плитка). Кислотоупорные кирпичи применяют для футеровки крупных химических аппаратов (башен, скрубберов и др.), резервуаров, газоходов, желобов, а так же для кладки фундаментов аппаратов, колонок и т.п. Кислоупорные плитки изготавливают трех видов: кислоупорные, термокислоупорные и термокислоупорные для гидролизной промышленности.